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TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES FENÓMENOS DE TRANSPORTE I PROFESOR J. ELÍAS JIMÉNEZ SALGADO BARRERA AGUILAR ALEJANDRA, GARCÍA HERNANDEZ BRENDA, SALIB AQUINO KARIME, TREJO GALLARDO JOCELYN.

Contenido INTRODUCCIÓN................................................................................................... 1 MARCO TEÓRICO................................................................................................. 1 Pretratamientos y tratamientos primarios...................................................................1 Cribado o desbrozo............................................................................................. 2 Sedimentación.................................................................................................... 2 Flotación............................................................................................................ 7 Neutralización y homogeneización.........................................................................9 Tratamiento Secundario........................................................................................ 12 Reactores aerobios de biomasa en suspensión..............................................13 Los sistemas aerobios de biomasa fija:..........................................................15 Los sistemas anaerobios de biomasa no adherida.........................................15 TRATAMIENTO TERCIARIO.................................................................................. 16 APLICACIONES DE FENÓMENOS DE TRANSPORTE EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES.......................................................................................... 16 CONCLUSIÓN..................................................................................................... 16 BIBLIOGRAFÍA.................................................................................................... 17

INTRODUCCIÓN A partir de la década de los sesenta, términos como la contaminación del agua, suelo, aire, protección del medio ambiente, ecología, reciclaje, pasaron a ser palabras de uso cotidiano, éstas se convirtieron en palabras que los medios de comunicación han usado para crear conciencia de la terrible y cierta idea que el planeta lo que está sufriendo es por causa de los seres humanos. En algunos casos la sociedad ha sido arrastrada hasta casi un estado de histeria de masas, con el fin de crear una motivación por la conservación del ambiente y hacer ciertas transformaciones en la forma de vida de los seres humanos, para poder corregir el deterioro ambiental antes de que sea demasiado tarde. Algunas de estas transformaciones se han enfocado en la restauración de bosques, siembra de árboles, salvar especies en peligro de extinción, reciclaje de basura, campañas de cuidar el agua, no tirar basura, etc. Entre estos recursos naturales, el agua es el recurso natural más abundante, debido a que cubre más de tres cuartas partes de la superficie del mundo, se encuentra en continuo movimiento realizando el ciclo hidrológico y corre por arroyos para finalmente volver al mar. La disponibilidad del recurso, junto con su calidad son parámetros críticos para el establecimiento y desarrollo de las empresas. Las características físicas, como pH, olor, sabor, color, turbiedad entre otros, y las químicas medidas en concentraciones de diferentes compuestos o elementos como calcio, magnesio, hierro, sulfatos cloruros, nitritos y microbiológicas, incluyendo la determinación de hongos, bacterias protozoos y algas, determinan la calidad del agua. El agua que entra a los hogares e industrias no siempre tiene la misma calidad al salir después de haber sido usada. Las instalaciones de tratamiento de aguas reducen la contaminación en las aguas de desecho a un nivel que la naturaleza puede manejar. El agua es indispensable para la vida, y la que se encuentra en nuestro cuerpo debe tener ciertas características, como son que posea un cierto contenido y cantidad de sales y carezca de organismos que dañen la salud. Para que podamos consumirla y utilizarla en nuestras casas, en la producción de alimentos de origen vegetal o animal y en la industria, el agua debe ser dulce y de cierta calidad. Como tema principal del proyecto, se considera el diseño científico de plantas de proceso para tratamiento de aguas residuales de origen industrial. Aunque el problema de la contaminación no es un problema técnicamente difícil requiere de

la participación de: ciencias aplicadas e ingeniería como ingeniería sanitaria, de obras públicas, ingeniería química, mecánica, eléctrica, física; ciencias de la tierra como geología, hidrología, oceanografía; y ciencias sociales y económicas como sociología, relaciones públicas, economía y administración. Como resultado de la gran variedad de procesos industriales, a que la mayor parte agua contiene substancias como son desechos humanos, restos de comida, aceites, jabones y químicos; se han comenzado a producir aguas residuales de diversos tipos, lo que requiere tratamientos más complejos que han ido apareciendo conforme ha pasado el tiempo. La ingeniería química tiene una participación prioritaria en el proceso, ya que involucra diversos tratamientos, equipos, operaciones unitarias, conocimiento de las cinéticas de reacciones, análisis de sistemas, balances másicos; esta rama de la ingeniería contiene la llave prioritaria para la resolución de los problemas dentro del tratamiento de aguas residuales.

MARCO TEÓRICO Agua residual Se denomina aguas servidas a aquellas que resultan del uso doméstico o industrial del agua. Se les llama también aguas residuales, aguas negras o aguas cloacales. Son residuales pues, habiendo sido usada el agua, constituyen un residuo, algo que no sirve para el usuario directo; son negras por el color que habitualmente tienen. Las principales fuentes de contaminación acuática pueden clasificarse como:  Urbanas: Las labores domésticas contaminan el agua, sobre todo, con residuos fecales y detergentes.  Industriales: La consecuencia es el vertido de aguas residuales cargadas de materia orgánica, metales, aceites industriales e incluso radiactividad.  Agrícolas: Los principales causantes son los vertidos de aguas cargadas de residuos orgánicos, procedentes de las labores de transformación de productos vegetales, o de los excrementos de los animales. Antecedentes del tratamiento de agua

Los seres humanos han almacenado y distribuido el agua durante siglos. En la época en que el hombre era cazador y recolector el agua utilizada para beber era agua del río. Cuando se producían asentamientos humanos de manera continuada estos siempre se producen cerca de lagos y ríos. Hace aproximadamente 7000 años en Jericó (Israel, figura 1) el agua almacenada en los pozos se utilizaba como fuente de recursos de agua, además se empezó a desarrollar los sistemas de transporte y distribución del agua. Este transporte se realizaba mediante canales sencillos, excavados en la arena o las rocas y mas tarde se comenzarían a utilizar tubos huecos. Por ejemplo en Egipto se utilizan árboles huecos de palmera mientras en China y Japón utilizan troncos de bambú y mas tarde, se comenzó a utilizar cerámico, madera y metal. En

Persia la gente buscaba recursos subterráneos. El agua pasaba por los agujeros de las rocas a los pozos. Alrededor del año 3000 a.C., la ciudad de Mohenjo-Daro (Pakistán) utilizaba instalaciones y necesitaba un suministro de agua muy grande. En esta ciudad existían servicios de baño público, instalaciones de agua caliente y baños. En la antigua Grecia el agua de escorrentía, agua de pozos y agua de lluvia eran utilizadas en épocas muy tempranas. Debido al crecimiento de la población se vieron obligados al almacenamiento y distribución (mediante la construcción de una red de distribución) del agua. El agua utilizada se retiraba mediante sistemas de aguas residuales, a la vez que el agua de lluvia. Los griegos fueron de los primeros en tener interés en la calidad del agua. Ellos utilizaban embalses de aireación para la purificación del agua. Los romanos fueron los mayores arquitectos en construcciones de redes de distribución de agua que ha existido a lo largo de la historia. Ellos utilizaban recursos de agua subterránea, ríos y agua de escorrentía para su aprovisionamiento. Los romanos construyan presas para el almacenamiento y retención artificial del agua. El sistema de tratamiento por aireación se utilizaba como método de purificación. El agua de mejor calidad y por lo tanto mas popular era el agua proveniente de las montañas. El primer sistema de suministro de agua potable a una ciudad completa fue construido en Paisley, Escocia, alrededor del año 1804 por John Gibb. En tres años se comenzó a transportar agua filtrada a la ciudad de Glasgow. En 1806 Paris empieza a funcionar la mayor planta de tratamiento de agua. El agua sedimenta durante 12 horas antes de su filtración. Los filtros consisten en arena, carbón y su capacidad es de seis horas. En 1827 el ingles James Simplón construye un filtro de arena para la purificación del agua potable. Hoy en día todavía se considera el primer sistema efectivo utilizados con fines de salud publica ¿Por qué tratar el agua de desecho? Existen muchas razones que justifican porqué el mantener el agua limpia es de primordial importancia:

 Industria pesquera: El agua limpia es primordial para las plantas y los animales que viven en el agua. Esto es importante para la industria pesquera, para las personas cuyo pasatiempo es la pesca, y para las futuras generaciones.  Animales salvajes: Los ríos y océanos están llenos de criaturas que dependen de las costas, playas y pantanos. De estos habitantes depende la subsistencia de cientos de especies diversas de peces y vida acuática..  Recreación y Calidad de Vida: Los paisajes y valores recreativos de los depósitos grandes de agua, muchas veces son las razones que convencen a las personas para vivir cerca de ellas.  Preocupaciones sobre la Salud: Si el agua no se limpia apropiadamente, puede ser transmisora de enfermedades. El propósito principal del tratamiento del agua de desecho es remover lo más posible las partículas sólidas que se encuentran suspendidas antes de que esta agua, llamada efluente, sea descargada de nuevo al ambiente. Las descargas de aguas residuales se clasifican en municipales e industriales. Las primeras corresponden a las que son manejadas en los sistemas de alcantarillado municipales urbanos y rurales, en tanto que las segundas son aquellas descargadas directamente a los cuerpos receptores de propiedad nacional, como es el caso de la industria autoabastecida. Centros urbanos (descargas municipales): Volumen Aguas residuales 7.41 km3/año (235.1 m3/s) Se recolectan en alcantarillado 6.59 km3/año (209.1 m3/s) Se tratan 2.95 km3/año (93.6 m3/s) Carga contaminante Se generan 2 millones de toneladas de DBO5 al año Se recolectan en alcantarillado 1.78 millones de toneladas de DBO5 al año Se remueven en los sistemas de tratamiento 0.65 millones de toneladas de DBO5 al año Usos no municipales, incluyendo a la industria: Volumen Aguas residuales no municipales incluyendo industria tratada Aguas residual de industria tratada Carga contaminante Se generan no municipal Se generan en industria Se remueven en los sistemas de tratamiento (sector industrial)

6.70

km3/año (212.6 m3/s)

2.0

km3/año (63.6 m3/s)

10.05 3.00 1.35

millones de toneladas de DBO5 al año millones de toneladas de DBO5 al año millones de toneladas de DBO5 al año

Con el objeto de preservar la calidad del agua, se construyen plantas para tratar el agua antes de su descarga a los ríos y cuerpos de agua. En el año 2010, las 2,186 plantas en operación en el país trataron 93.6 metros cúbicos por segundo, es decir el 44.76% de los 209.1 metros cúbicos por segundo recolectados.

Fue nte: Conagua. Subdirección General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento.

Calidad del agua De acuerdo al uso, el agua debe cumplir con unas condiciones mínimas de calidad, que garanticen la calidad del producto y el buen funcionamiento de los equipos. Cuando se hace referencia a la calidad del agua es necesario puntualizar qué tipo de sustancia contiene, ya sea suspendida o disuelta (sales, metales, hidrocarburos, plaguicidas, etc.), o bien de qué organismo (virus, bacterias,

parásitos, etc.) se trata y en qué concentración o cantidad se encuentra, para entender la alteración del agua o del sistema acuático y qué tan seria, reversible o irreversible es. En la tabla No 1 se relacionan las condiciones que debe cumplir el agua para ser considerada potable, de acuerdo con la reglamentación emitida por el Ministerio de salud, Decreto 475 /1998, en la tabla No. 2 se relaciona las características del agua para otro tipo de usos. TABLA No. 1 NIVELES MÁXIMOS PERMITIDOS EN LA CALIDAD DEL AGUA POTABLE

CARACTERISTICAS

VALORES

IDEAL

MAXIMO

Color, unidades en la escala platino-cobalto

5

20

Olor y sabor

Inobjetable

Turbiedad, (UNT)

1

5

Sólidos totales (mg/L)

200

500

Químicas

Expresada como

mg/dm3

Arsénico

As

0,01

Bario

Ba

1,00

Boro

B

1,00

Cadmio

Cd

0,005

Calcio

Ca

75,00

Cianuro

CN

0,20

Cinc

Zn

10

Cloruros

Cl

250,00

Físicas

Cobre

Cu

1,00

Cromo hexavalente

Cr

0,05

Dureza total

CaCO3

30-150

Fenoles (Ar-OH)

Fenol

0,001

Flúor

F

*

Hierro total

Fe

0,3

Magnesio

Mg

36,00

Manganeso

Mn

0,1

Mercurio

Hg

0,001

NO3

45,0

Nitratos

NO2

0,1

Nitritos

Pb

0,05

Plomo

ABS

0,5

Sulfato de alcohilbenceno

Se2

0,01

Selenio

SO4

250,00

Sulfatos

Fuente: Guerrero Rodríguez, José Humberto, Tratamiento de Aguas Residuales, Pág. 216.

Las empresas de alimentos es quizás son uno de los sectores industriales más exigentes en calidad de agua. En la industria de bebidas gasificadas (el agua constituye el 90 % del producto), los minerales del agua pueden neutralizar los ácidos en la bebida y producir un mal sabor; la presencia de turbidez, dureza y alcalinidad elevadas afectan la carbonatación. En la industria de frutas y verduras una excesiva dureza del agua, altera las características sensoriales de los productos endureciéndolos principalmente. Las condiciones del agua para las calderas y equipos de transferencia de calor exige un análisis independiente y unas condiciones especiales; no es aconsejable utilizar agua de consumo humano (potable) para la alimentación de estos equipos,

debido a la presencia elevada de sales disueltas principalmente de fosfato de calcio, carbonato de calcio, silicato de magnesio, dióxido de magnesio entre otras. Normatividad Mexicana Las siguientes normas mencionan los límites permisibles de contaminantes dependiendo de donde se descargue y su uso.  Norma Oficial Mexicana NOM-001-SEMARNAT-1996. Esta norma oficial mexicana establece los límites máximos permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales en aguas y bienes nacionales, con el objeto de proteger su calidad y posibilitar sus usos, y es de observancia obligatoria para los responsables de dichas descargas.  Norma Oficial Mexicana NOM-002-SEMARNAT-1996. Esta norma oficial mexicana establece los límites máximos permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales a los sistemas de alcantarillado urbano o municipal.  Norma Oficial Mexicana NOM-003-SEMARNAT-1997. Esta norma oficial mexicana establece los límites máximos permisibles de contaminantes para las aguas residuales tratadas que se reutilicen en servicios al público.

Pretratamientos y tratamientos primarios La selección de los procesos de tratamiento de aguas residuales depende de un cierto número de factores, por ejemplo:    

Características del agua residual: DBO, materia en suspensión, pH, productos tóxicos. Calidad del efluente de salida requerido. Coste y disponibilidad de terrenos. Previsión de límites de calidad de vertido más estrictos.

Los pretratamientos de aguas residuales implican la reducción de sólidos en suspensión o el acondicionamiento de las aguas residuales para su descarga en los receptores o para pasar a un tratamiento secundario a través de una neutralización u homogeneización.

Cribado o desbrozo Se emplea para la reducción de sólidos en suspensión de tamaños distintos. La distancia o las aberturas de las rejillas dependen del objeto de las mismas, los productos recogidos se destruyen por incineración, o se tratan por procesos de

digestión anaerobia, o se dirigen al vertedero. Las materias sólidas recogidas se clasifican en finos y gruesos. Las rejillas de finos tienen aberturas de 5 mm o menos. Generalmente están fabricadas de malla metálica de acero, o en base a placas o chapas de acero perforado y se usan muchas veces en lugar de tanques de sedimentación. Las rejillas o cribos de gruesos tienen aberturas que pueden oscilar entre los 4 y 8 o 9 cm. Se usan como elementos de protección para evitar que sólidos de grandes dimensiones dañen las bombas y otros equipos mecánicos.

Sedimentación Se utiliza para separar sólidos en suspensión, la eliminación de las materias por sedimentación se basa en la diferencia de peso específico ente las partículas sólidas y el líquido donde se encuentran. La sedimentación puede producirse en una o varias etapas o en varios de los puntos del proceso de tratamiento. Tipos de sedimentación: 1.- Sedimentación discreta: Las partículas que se depositan mantienen su individualidad, o sea no se somete a un proceso de coalescencia con otras partículas. En este caso, las propiedades físicas de las partículas no cambian durante el proceso. 2.- Sedimentación con floculación: La aglomeración de las partículas va acompañada de cambios en la densidad y en la velocidad de sedimentación o precipitación.

3.- Sedimentación por zonas: Las partículas forman una especie de manta que sedimenta una masa total presentando una interfase distinta con la fase líquida. Teoría de la sedimentación discreta El fundamento para la sedimentación de partículas discretas es la ley de Newton, que se basa en la suposición de que las partículas son esféricas con diámetros homogéneos. Cuando una partícula se sedimenta, va acelerándose hasta que las fuerzas que provocan la sedimentación, se equilibran con las resistencias o fuerzas de fricción ofrecidas por el líquido. La fuerza que provoca la sedimentación, es la diferencia entre su peso y el empuje hidrostático. Fs=v ρs g−v ρ L g=( ρs− ρL ) gv

La Fuerza de resistencia que trata de impedir la sedimentación es: F D =C D A (

ρL V 2 ) 2

Fs = FD V= Vs = Velocidad de sedimentación Ley de Newton: Vs=

[( )

4 g ρs − ρ L d 3 CD ρL

]

1/2

La relación aproximada entre C D y NR viene dada por la ecuación escrita en forma logarítmica para las tres regiones indicadas. Muchos problemas de sedimentación en los tratamientos de aguas residuales se presentan en la zona de Stokes. Ley de Stokes: Vs=

( 181 )

ρ s−ρ L 2 gd μL

Tanque de sedimentación ideal: El modelo seleccionado para un sedimentador es el de sección rectangular consistente en cuatro zonas: 1. Zona de entrada: en la cual el flujo puede considerarse laminar. Se supone que en el límite de esta zona las partículas se distribuyen uniformemente según la sección de entrada. 2. Zona de sedimentación: La partícula deja de estar en suspensión cuando llega al fondo de esta zona. 3. Zona de salida: El agua residual se recoge aquí antes de su paso al tratamiento posterior. 4. Zona de lodos: Esta zona es la reservada para la retirada de lodos.

Sedimentación con floculación Tiene lugar cuando la velocidad de sedimentación de las partículas aumenta, debido a efectos de coalescencia con otras partículas.

Etapa 1. Rellenar la columna con el agua residual, manteniendo una concentración uniforme de sólidos de suspensión a lo largo de la misma. Debe usarse, para mantener la muestra homogénea, un agitador portátil. Etapa 2. Quitar el agitador del cilindro o columna. En cada una de las aberturas de muestreo, establecer la concentración de sólidos en suspensión en momentos determinados. Sedimentación por zonas

Se presenta en clarificadores con lodos coagulados químicamente, o activos con concentraciones que exceden los 500 mg/L. La capa de lodos presenta varias zonas perfectamente diferenciadas. Cada zona se caracteriza por una concentración específica en lodos y por una velocidad de sedimentación determinada.

Determinación del área mínima requerida para conseguir la clarificación de lodos El área mínima requerida Ac para la clarificación depende de la velocidad V s, para la cual las partículas en suspensión se sedimentan antes de alcanzar la concentración crítica interfacial Xc. En condiciones de caudal constante, la velocidad del agua sobre el vertedero no debe exceder de V s si se quiere obtener la clarificación. A c=

Qe Vs

Qe es el caudal (m3/h), Vs es la velocidad de sedimentación por zonas (m/min) y A c el área mínima requerida para la clarificación (m 2). Tipos de clarificadores: Los clarificadores se clasifican según la geometría de su sección horizontal en: 1. Clarificador rectangular: El lodo es arrastrado por las rasquetas a lo largo del tanque y hacia el extremo de entrada. Los mecanismos de las rasquetas

son del tipo rotatorio, y consisten en una serie de pequeñas rasquetas montadas en una cadena sin fin, que hace contacto con el fondo del tanque. Se mueve lentamente, a una velocidad aproximada de 0.3 m/min. 2. Clarificador circular con alimentación central: La solución clarificada rebosa por un canal de recogida en la periferia. El fondo del clarificador tiene una pendiente mínima de 1/12. 3. Clarificador circular con alimentación periférica: La alimentación está situada en la periferia y la solución clarificada rebosa en un canal de recogida en la zona central.

La sección de entrada debe ser diseñada con cuidado para tener una distribución uniforme de flujo, tanto a lo ancho como en profundidad. De forma similar la sección de salida debe diseñarse para recoger el efluente de manera uniforme.

Flotación Es un proceso para separar sólidos de baja densidad o partículas líquidas de una fase líquida. La separación se lleva a cabo introduciendo un gas (aire) en la fase

líquida, en forma de burbujas. La fase líquida se somete a un proceso de presurización para alcanzar una presión de funcionamiento que oscila entre 2 y 4 atm. Luego, este líquido saturado de aire se somete a un proceso de despresurización llevándolo hasta la presión atmosférica por paso a través de una válvula reductora de presión.

Los sólidos en suspensión o las partículas líquidas (aceites o petróleo) flotan, debido a que estas pequeñas burbujas les obligan a elevarse a la superficie. En el campo de los tratamientos de aguas residuales, la flotación se usa para los siguientes objetivos: 1) Separación de grasas, aceites, fibras, y otros sólidos de baja densidad. 2) Espesado de los lodos procedentes de los procesos de lodos activos. 3) El espesamiento de los lodos floculados químicamente resultantes de los tratamientos de coagulación química. Los componentes básicos de un sistema de flotación son: 1) Bomba de presurización 2) Sistema para inyección de aire 3) Tanque de retención

4) Válvula reductora de presión 5) Tanque de flotación Evaluación de las variables de flotación en el diseño de procesos 1. Parámetro A/S Relación entre el aire utilizado y los sólidos kg de aire liberado por despresurización A d = S kg de sólidos en el afluente d Sistema de flotación sin recirculación: A/S= (C1- C2)/X0 Sistemas de flotación con recirculación: A/S= (R/Q) (C1- C2)/X0

Neutralización y homogeneización El tratamiento de neutralización se utiliza normalmente en los siguientes casos que se presentan en la depuración de aguas residuales: 1. Antes de la descarga de aguas residuales en un medio receptor. 2. Antes de la descarga de aguas residuales industriales al alcantarillado municipal. 3. Antes del tratamiento químico o biológico. Métodos para la neutralización de aguas residuales 1.-Homogeneización, que consiste en mezclar las corrientes, algunas de las cuales son ácidas y otras alcalinas. 2.-Métodos de control directo de pH, que consisten en la adición de ácidos o bases para neutralizar las corrientes. Objetivos: 1. Aminorar las variaciones de ciertas corrientes de aguas residuales, intentando conseguir una corriente mezclada, con un caudal relativamente constante. 2. Aminorar las variaciones de la DBO del afluente a los sistemas de tratamiento

a) Estanques de homogeneización de nivel constante: Si el caudal de entrada varía, varía el caudal de salida.

b) Depósitos de homogeneización de nivel variable: El efluente sale con un caudal constante, teniendo en cuenta que el caudal de entrada varía con el tiempo, el nivel del estanque debe hacerse variable. Se utiliza con el objetivo de conseguir un caudal de salida constante.

Métodos de control directo del pH: 1. 2. 3. 4. 5.

Lechos de caliza Neutralización por cal Neutralización con sosa cáustica (NaOH) Neutralización por carbonato de sodio Neutralización con amoniaco

Tratamiento Secundario El objetivo de este tratamiento es remover la demanda biológica de oxígeno (DBO) soluble que escapa a un tratamiento primario, además de remover cantidades adicionales de sólidos sedimentables. El tratamiento secundario intenta reproducir los fenómenos naturales de estabilización de la materia orgánica, que ocurre en el cuerpo receptor. La ventaja es que en ese proceso el fenómeno se realiza con más

velocidad para facilitar los orgánicos secundario

la descomposición de contaminantes en períodos cortos de tiempo. Un tratamiento remueve

aproximadamente 85% de la DBO y los SS aunque no remueve cantidades significativas de nitrógeno, fósforo, metales pesados, demanda química de oxígeno (DQO) y bacterias patógenas. Además de la materia orgánica se va a presentar gran cantidad de microorganismos como bacterias, hongos, protozoos, rotíferos, etc, que entran en estrecho contacto con la materia orgánica la cual es utilizada como su alimento. Los microorganismos convierten la materia orgánica biológicamente

degradable en CO2 y H2O y nuevo material celular. Además de estos dos ingredientes básicos microorganismos – materia orgánica biodegradable, se necesita un buen contacto entre ellos, la presencia de un buen suministro de oxígeno, aparte de la temperatura, PH y un adecuado tiempo de contacto. En el metabolismo bacteriano juega un papel fundamental el elemento aceptor de electrones en los procesos de oxidación de la materia orgánica. Este aspecto, además, tiene una importante incidencia en las posibilidades de aplicación al tratamiento de aguas. Atendiendo a cual es dicho aceptor de electrones distinguimos tres casos: 

Sistemas aerobios: La presencia de O2 hace que este elemento sea el aceptor de electrones, por lo que se obtienen unos rendimientos energéticos elevados, provocando una importante generación de fangos, debido al alto crecimiento de las bacterias aerobias. Su aplicación a aguas residuales puede estar muy condicionada por la baja solubilidad del oxígeno en el agua.



Sistemas anaerobios: En este caso el aceptor de electrones puede ser el CO2 o parte de la propia materia orgánica, obteniéndose como producto de esta reducción el carbono es su estado más reducido, Metano (CH4) wikipedia. La utilización de este sistema tiene, como ventaja importante, la obtención de un gas combustible.



Sistemas anóxicos: Se denominan así los sistemas en los que la ausencia de O2 y la presencia de NO3- hacen que este último elemento sea el aceptor de electrones, transformándose, entre otros, en N2, elemento completamente inerte. Por tanto es posible, en ciertas condiciones, conseguir una eliminación biológica de nitratos (desnitrificación).

Teniendo en cuenta todos estos aspectos, existe una gran variedad de formas de operar, dependiendo de las características del agua, así como de la carga orgánica a tratar. Para llevar a efecto el proceso anterior se usan varios mecanismos tales como: lodos activados, biodisco, lagunaje, filtro biológico.

Reactores aerobios de biomasa en suspensión Este grupo está representando por el sistema conocido como lodos activados. Los lodos activados están constituidos por cinco elementos el tanque aeración, el sistema de aeración, el sedimentador, la línea de recirculación y la línea de purga. En el tanque de aeración se mezclan la materia orgánica, los microorganismos y el oxígeno disuelto; esta mezcla se conoce como licor mezclado. Una vez que la mezcla abandona el reactor entra en un sedimentador secundario, en el cual se separa la biomasa del agua; la biomasa o lodo precipita hacia el fondo del sedimentador. Estos lodos se regresan al tanque de aeración para mantener una concentración determinada de microorganismos. Como la reproducción de microorganismos es muy alta, parte de ese lodo se tiene que desechar del sistema y tratarse para convertirlo en un residuo inocuo antes de su disposición final.

Existen muchas variantes de este proceso, pero en esencia todas contienen estos cinco elementos. Las diferencias están dadas por la forma en la que se alimenta el agua residual, la manera en que se suministra.

Los sistemas biológicos se pueden clasificar con base en la vía metabólica de los microorganismos que lo integran y en la forma en que los microorganismos se ubican dentro del reactor, así se distinguen cuatro grupos: aerobios de biomasa en suspensión, aerobios de biomasa fija, anaerobios de biomasa no adherida y anaerobios de biomasa fija. Los sistemas aerobios de biomasa en suspensión están representados por los lodos activados en todas sus variantes. El proceso consta de cinco componentes básicos: el tanque de aeración, el sistema de aeración, el sedimentador secundario, la línea de recirculación y la línea de purga de lodos.

Todas las variantes cuentan con estos elementos excepto el proceso por lotes que no tiene un tanque especial para la sedimentación, sino que ésta ocurre en el reactor. Entre las variantes que se pueden encontrar en México están el proceso convencional, aeración extendida, zanja de oxidación, aeración modificada, alimentación escalonada, contacto-estabilización, oxígeno puro, aeración a contracorriente y proceso por lotes.

Los sistemas aerobios de biomasa fija: Son los filtros percoladores y los discos biológicos rotativos. En estos procesos se desarrolla una película biológica sobre el medio de soporte (el empaque de los filtros y en los discos).

Los filtros percoladores se empacan con piedra, ladrillos, madera o medios plásticos, siendo estos últimos los que mayor relación superficie volumen ofrecen (hasta 280 m2/m3) y, en consecuencia, los que mayor cantidad de materia orgánica pueden remover por unidad de volumen. El proceso no requiere la recirculación del lodo, sin embargo, se recircula el efluente para mantener todo el medio humedecido.

Los discos biológicos pueden ser de madera o plásticos. Los discos plásticos son los que mayor superficie de contacto ofrecen. Los discos se sumergen sólo 40%, sin embargo, hay diseños que cuentan con una línea de inyección de aire, en esos casos la sumersión es hasta de 80%. Se recomienda que se instalen varias etapas; si el caudal es pequeño un solo módulo de discos colocado con el eje paralelo al flujo es suficiente, para caudales grandes se sugieren varios módulos consecutivos con el eje perpendicular al flujo.

Los sistemas anaerobios de biomasa no adherida

Son las fosas sépticas y los tanques Imhoff; son principalmente separadores de materia en suspensión, la cual se degrada en el fondo de los tanques. Prácticamente no hay remoción de materia disuelta, ya que no hay una interacción entre la biomasa y el agua. Los Reactores Anaerobios de Flujo Ascendente (RAFA) son sistemasde biomasa no adherida, pero a diferencia de la fosa séptica y del tanque Imhoff, su función principal es la remoción de materia disuelta. Los RAFA Pueden soportar cargas orgánicas hasta 30 kg DQO/m3d Los sistemas anaerobios de biomasa fija son los que mejores resultados han ofrecido. Están representados por el filtro anaerobio, el reactor tubular de película fija y los reactores anaerobios de lechos fluidizados o expandidos. En ello Nhay interacción entre la biomasa y el agua. Al degradar la materia orgánica se genera metano, el cual tiene que separarse del efluente, y nitrógeno amoniacal; además del remanente de materia orgánica. En estos reactores la separación de biomasa del agua ocurre dentro del mismo reactor, ya que la producción es pequeña. El efluente de los reactores anaerobios tiene que ser pulido con un proceso aerobio. Los reactores anaerobios son atractivos, desde un punto de vista económico, para concentraciones mayores a 1,000 mg/L de demanda bioquímica de oxígeno. Los reactores combinados pueden ser anaerobio-aerobio o aerobioaerobio. Con ellos se busca minimizar las limitaciones de los procesos individuales, potenciar los beneficios y obtener un tratamiento más económico y eficiente. Las combinaciones más frecuentes son: Anaerobio aerobio.     

RAFA - lodo activado. RAFA - discos biológicos. RAFA - lagunas de estabilización. Lechos fluidizados - lodos activados. Filtro anaerobio - lodos activados.

Aerobio aerobio.   

Filtro percolador – lodo activado Filtro percolador – laguna de estabilización Discos biológicos – lodo activado

Eficiencias de remoción Los niveles de remoción de materia orgánica que se logran en los sistemas biológicos son variables. En general, la mayor eficiencia de remoción la presentan los sistemas de lodos activados que, salvo algunas variantes, es de 85 a 95%, mientras que los filtros percoladores de una sola etapa es de 65 a 85%, y en dos etapas alcanzan hasta el 95%. Los discos biológicos alcanzan niveles de eficiencia de 80 a 90 % y los procesos anaerobios oscilan entre 75 y 85%.

TRATAMIENTO TERCIARIO

APLICACIONES DE FENÓMENOS DE TRANSPORTE EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

Las operaciones unitarias en Ingeniería Ambiental son un conjunto de procedimientos físicos, químicos y biológicos que se aplican para el tratamiento de líquidos, sólidos y gases, y se basan en los fenómenos de transporte de movimiento, masa y calor. El transporte de movimiento involucra la aplicación de principios que condicionan el movimiento de los fluidos y son base fundamental para determinar requerimientos de energía. El transporte de masa implica ocurrencia de mecanismos de transferencia de materia sólida, líquida o gaseosa; siendo usual, por ejemplo, la transferencia de sólidos contenidos en una fase líquida o gaseosa a una fase sólida, o bien la transferencia de gases desde una fase gaseosa a una líquida. La transferencia de calor se efectúa mediante los procesos de conducción, convección o radiación que involucran cambios en el contenido energético de sólidos, líquidos o gases. En este sentido, ésta asignatura (Fenómenos de Transporte I) proporciona los conocimientos básicos de las operaciones unitarias necesarias y su integración, para diseñar los sistemas de purificación del agua o los diversos sistemas de tratamiento de aguas residuales. Todo Ingeniero sabe lo que es la transferencia de cantidad de movimiento (ímpetu), calor y materia. La teoría que exhibe las analogías que existen, físicamente y en el modelado matemático, entre estos tres mecanismos de transferencia se conoce como fenómenos de transporte. Lo que no es muy conocido es que éstos no son los únicos procesos de desplazamiento en tiempo y espacio de una entidad física determinada. En el caso de los equipos que requieren de energía eléctrica, podemos decir que el flujo de corriente eléctrica ya sea a través de un conductor o bien en un medio electrolítico es en sí un fenómeno de transporte. Pudiendo ser denominado también como fenómeno de transferencia de carga eléctrica, guarda estrecha relación con la conducción de calor en sólidos. Matemáticamente la ley de Ohm de conducción de corriente eléctrica (en su forma diferencial) y la Ley de Fourier de conducción de calor son idénticas y representan un típico ejemplo de lo que es el “Flux”, la ecuación diferencial matemática que asocia la velocidad de transferencia de la entidad física transportada de forma directamente proporcional con una fuerza que motiva el desplazamiento, expresado como un gradiente y una propiedad física inherente al medio de conducción que facilita (o inhibe) dicho desplazamiento. Por otro lado, la transferencia de carga eléctrica y la transferencia de masa guardan estrecha relación en los sistemas electroquímicos. De manera muy similar en el que la velocidad de reacción química puede estar condicionada por el tiempo que le tome llegar a los reactantes a la superficie de un catalizador mediante el mecanismo de la difusión.

En hidráulica, para el flujo de baja viscosidad, el caudal puede ser determinado a partir del gradiente de presión y una propiedad de conductividad determinado por el tipo de canal por el que existe el flujo. Conocida como Ley de Pouseuille, la analogía con la conducción eléctrica y la ley de Ohm es tan obvia que es común resolver problemas de sistemas de tuberías como si fueran circuitos eléctricos. Bastante menos conocidos son los fenómenos de transporte de entidades termodinámicas como la entropía o la energía libre de Gibbs, ya que estas variables suelen ser estudiadas en el estado de equilibrio y no durante el proceso de transferencia, o bien en mecánica, la transferencia de ímpetu angular. En el caso específico del Tratamiento de aguas residuales podemos observar lo siguiente: Operaciones de Transferencia de movimiento 1.1. Mezclado. 1.2. Floculación Operaciones de Transferencia de sólidos. 2.1. 2.2. 2.3. 2.4.

Cribado 2.2. Sedimentación 2.1. Flotación 2.2. Filtración 2.3. Neutralización

Operaciones de Transferencia de gases. 3.1. Aereación. 3.2. Absorción 3.3. Adsorción Operaciones de Transferencia de iones. 4.1. Coagulación química 4.2. Precipitación química 4.3. Intercambio iónico Operaciones de Transferencia molecular y de nutrientes. 5.1. Oxidación biológica 5.2. Procesos fotosintéticos

5.3. Desinfección Operaciones de concentración y estabilización de sólidos. 6.1. Espesamiento 6.2. Centrifugación 6.3. Lixiviación 6.4. Secado 6.5. Digestión de lodos 6.6. Combustión seca y húmeda

CONCLUSIÓN En conclusión, una teoría unificadora de los fenómenos de transporte, además de abarcar los clásicos procesos estudiados de transferencia de ímpetu, calor y materia, debería de incluir los procesos de transferencia de carga eléctrica, de ímpetu angular, entropía y energía libre de Gibbs, así como la Ley de Pouseuille como un caso particular de transferencia de materia a nivel macroscópico motivado por un gradiente de presión hidráulica. Las aplicaciones de la asignatura son variadas, pero depende de nosotros como estudiantes de Ingeniería utilizar de manera acertada los conocimientos que nos son proporcionados por parte de los catedráticos. Debemos recordar así mismo, que todas las asignaturas son interdisciplinarias y que el conocimiento adquirido en cada una no se encuentra aislado de las demás, debemos desarrollar las habilidades necesarias para reunir éste conjunto de conocimientos y aplicarlos cuando las situaciones lo requieran.

BIBLIOGRAFÍA  

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